基坑开挖对坑底桩基础工作性状影响

王丽，杨文彬，郑刚

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*



基坑开挖对坑底桩基础工作性状影响

王丽1,2，杨文彬2，郑刚1

(1.天津大学 建筑工程学院，天津 300072； 2.大连交通大学 土木与安全工程学院，辽宁 大连 116028)*

逆作法具有对周边环境影响小、不影响地面交通等优点，在大中型城市基坑开挖中被越来越广泛的使用.逆作法施工过程中，坑底工程桩既承担地下室及上部结构的重量，同时又受到开挖卸荷的影响，其工作性状有待进一步研究.通过模型试验及有限元分析方法，研究了逆作法对坑底桩基础工作性状的影响.试验结果表明由于重力二阶效应(P-Δ效应)，逆作法基坑开挖引起的桩身弯矩比顺作法基坑开挖的桩身弯矩大很多.有限元计算结果表明：在基坑开挖工程中扩底桩有很好的限制桩顶回弹的作用；通过对坑下土体进行注浆加固可以有效限制墙身侧移，但是注浆加固对限制桩顶回弹的作用不明显；分区开挖要同时安置支护结构，这样才能发挥限制挡土墙侧移的作用；虽然上部结构可以增加结构的空间刚度，但在基坑开挖过程中由于重力二阶效应会增加挡土墙的侧移；将支盘直径增大1.2倍，减小桩顶回弹的作用不明显.

模型试验；有限元；逆作法；桩基础；挡土墙

0　引言

逆作法施工期间，基坑开挖土体应力释放，坑内土体回弹，带动工程桩上移；地下室及上部结构施工后桩身承担的竖向荷载增加.因此，逆作法施工中工程桩承受卸荷回弹及竖向的作用，工程桩工作性状十分复杂，其工作机理有待于进一步探讨.

国内外学者利用离心机实验、数值分析及有限元模拟等方法对逆作法差异沉降、围护结构设计和工程桩工作性状等方面进行了探讨.郑刚[1]提出墙外主动区土压力呈曲线分布，其土压力分布及变化与墙体的挠曲形式和侧移趋势有关.苏卜坤[2]指出逆作法施工设计时侧向土压力的选取应与顺做法有所区别，一般采用静止土压力.宋青君[3]提出圆筒形地下连续墙的空间效应显著，大部分水、土压力通过环向拱作用由地下连续墙自身承担，内支撑受力减小.王旭军[4]指出在开挖深度一定的情况下，墙体侧移的变化随开挖宽度的增加而最终趋于收敛.郑刚[5]指出逆作法基坑开挖坑底以下土体的隆起除在引起桩发生较大的竖向位移外，在桩身还可引起一定的拉力.Wang Li[6- 7]利用有限元方法对逆作法基坑开挖对坑底工程桩工作性状进行了变参数研究.Leung[8]对香港地区部分逆作法基坑工程监测的数据进行分析，研究挡土墙侧移与地表沉降之间的关系.Hong[9]利用离心机实验研究逆作法基坑开挖过程中坑底桩基础对减小坑底回弹的作用.Moormann[10]指出逆作法基坑支撑体系采用合理的刚度，额外增加支撑体系刚度对于减小挡土墙侧移的作用有限.Li Pei-yong[11]研究砂土抗剪强度对结构物变形的影响.

本文首先利用室内模型试验分别对顺作法和逆作法两种基坑开挖方式下坑底桩基础的工作性状进行研究.此外，本文利用有限元方法对单桩和群桩进行了改变开挖宽度、桩型、分区开挖、注浆加固以及考虑上部结构空间刚度等模拟分析.

1　模型实验概述

1.1模型试验几何相似比

模型试验几何相似比应由模拟基坑开挖的规模、实验室空间大小和人力条件等因素共同决定.几何相似比较大时，需要制作较大的模型箱，需要的实验空间大，完成实验需要的人力成本较高.综合考虑各方面因素，本试验最终确定此次模型试验几何相似比为1∶50[12- 15].

1.2模型箱

依据几何相似比，尽可能减少边界效应对试验结果的影响，模型试验模型箱的尺寸长×宽×高分别为：1 130 mm×780 mm×1 200 mm.模型箱由底座和箱壁两部分组成.模型箱底座由钢板和角钢焊接而成，模型箱的四壁采用15 mm厚的钢化玻璃.

1.3试验砂土

取直径小于0.085 cm的砂土晒干后进行试验.干砂的密度为1.72×103kg/m3，摩擦角为28°，黏聚力为0.

1.4模型桩、挡土墙和支护结构

为了确定模型试验制作模型桩的材料，先后采用薄钢管、PVC管和白卡纸加乳白胶制作的模型桩进行对比试验.实验结果表明基坑开挖过程中，采用薄钢管和PVC管制作的模型桩的桩身应变的监测数据基本没有变化，而采用白卡纸加乳白胶制作的模型桩能够反应开挖过程中的桩身变形.因此，本次试验采用三层白卡纸加乳白胶制作的模型桩.

利用简支梁模型测出乳白胶粘贴三层白卡纸的模型桩的弹性模量为296.4 MPa.模型桩截面为15 mm×15 mm.按照几何相似比1∶50，根据抗弯刚度等效，模型桩相当于边长为0.25 m C30混凝土方桩.模型试验的挡土墙和支护结构采用三层白卡纸加乳白胶制作，弹性模量均为296.4 MPa.

顺作法和逆作法模型布置见图1和图2.先挖第1- 1分区，再挖第1- 2分区；其他各层依次类推.图注尺寸单位为mm.逆作法的剖面图见图1(a).

(a)剖面图

(b)俯视图

图2　逆作法模型俯视图

1.5模型试验分组

模型试验分组见表1.

表1　模型试验分组

2　实验步骤及数据采集

2.1试验步骤

(1)将模型桩、挡土墙预埋土中，位置见图1和2.分层将砂土装进模型箱.在土体上放置砝码进行预压，预压时间为24 h；

(2)预压完成后，将预压砝码移除.将与模型桩不同位置应变片连接的导线进行编号，与数据采集仪器连接，检查所有数据通道是否正常；

(3)按照计划分层开挖.开挖的时候，要尽量减小对土体和模型桩的扰动；

(4)顺作法每层开挖结束后，直接将3个支撑放在墙面的凹槽上.逆作法每层开挖后按有地面向坑底顺序设置地下室各层楼板；

(5)每一组试验完成后，将砂土挖出，需重新制作模型，重复以上步骤进行新一组的实验.

2.2数据采集

通过动静态应变测试系统采集应变片数据.依据相同高度处桩身两侧的应变差计算桩身弯矩：

(1)

ε2-ε1为同一截面处桩两侧测点的应变差.

3　模型试验结果

3.1顺作法基坑开挖时桩身弯矩

图3为桩长320 mm顺作法基坑开挖过程中模型桩桩身弯矩.第1步开挖完成后，坑下桩身80、160和240 mm处产生的弯矩依次为0.25×10-3、0.80×10-3和0.14×10-3N·mm.随后开挖过程中，桩身弯矩逐渐变大，最大弯矩均在坑下160 mm处.例如：第2、3和4步开挖结束后在坑下160 mm处产生的最大弯矩分别为1.69×10-3、2.04×10-3和2.19×10-3N·mm.

桩长为220 mm第1步开挖完成后，坑下60、110和160 mm处产生的桩身弯矩依次为0.31×10-3、1.53×10-3和0.52×10-3N·mm.随后开挖过程，桩身弯矩逐渐变大，最大弯矩均在坑下110 mm处.例如：第2、3和4步开挖在坑下110 mm处产生的弯矩分别为1.80×10-3、2.83×10-3和3.19×10-3N·mm.

图3　顺作法基坑开挖桩身弯矩曲线

3.2逆作法基坑开挖时桩身弯矩

图4为桩长320 mm逆作法基坑开挖过程中模型桩桩身弯矩.

图4　逆作法基坑开挖桩身弯矩曲线

随着开挖进行，桩身弯矩逐渐变大，弯矩最大值均在坑下160 mm处.例如：第2、3和4步开挖在坑下160 mm处产生的弯矩分别为17.26×10-3、27.77×10-3和33.88×10-3N·mm.桩长为220 mm的桩身最大弯矩均在坑下桩身110 mm处.例如：第2、3和4步开挖在坑下桩身110 mm处产生的弯矩分别为29.49×10-3、38.461 0×10-3和46.41×10-3N·mm.

3.3不同开挖方法桩身弯矩比较

相同桩长时，逆作法开挖过程产生的桩身弯矩比顺作法开挖过程产生的桩身弯矩大很多.例如：坑下桩长为320 mm时，第3步开挖结束后，顺作法和逆作法在坑下桩身16 mm处产生弯矩分别为2.04×10-3和25.77×10-3N·mm.

逆作法桩要承担地下室楼板的重量，桩身产生弯曲变形以后，由于地下室楼板自重产生的重力二阶效应(P-Δ效应)导致桩身弯矩进一步增加.

4　有限元模型

4.1模型参数选取

文献[6]对上海地铁基坑工程[16]进行模拟，计算结果与工程实测结果[16]一致，说明文献[6]反演得到土体参数、接触面模拟和边界条件能够反映基坑开挖过程的实际情况.本文采用与文献[6]相同的土体参数、接触面模拟和边界条件，土体参数及分层见表1[6].桩、挡土墙和地下室楼板的弹性模量为3×104MPa，泊松比为0.2.桩土之间采用库仑摩擦模型，接触面摩擦系数为0.25.

土体长×宽×高分别为150 m×10 m×150 m.限制土体底边的竖向、水平位移和四个侧面水平位移.

4.2单桩有限元模拟工况

普通桩和扩底桩模拟工况如表2～3.桩长40 m，桩的直径为0.85 m.有限元模型见图5.

表2　普通桩有限元模拟工况

表3　扩底桩有限元模拟工况

左侧挡土墙长×宽×厚为34 m×10 m×0.60 m.右侧挡土墙长×宽×厚为28 m×10 m×0.60 m.楼板长17.4 m，宽10 m，厚0.85 m.

(a)扩底桩 (b)支盘桩

图5扩底桩和支盘桩模型

5　有限元模拟结果

5.1不同类型桩的比较

图6为基坑开挖过程中普通桩、扩底桩和支盘桩的桩顶回弹量. 基坑开挖深度为23 m，第1步开挖3 m，其余8步每步均开挖2.5 m.

图6　不同类型桩桩顶回弹

由图6可知随着基坑开挖深度的增加，三种桩型的桩顶回弹量都呈逐渐增加的趋势.在第1步和第2步开挖过程中，普通桩的桩顶回弹量最大，扩底桩次之，支盘桩回弹最小.从第2步到第4步开挖后，支盘桩桩顶回弹增加量最大，为3.09 mm，普通桩和扩底桩的桩顶回弹增加量分别为2.76 mm和1.37 mm.第4步到第9步开挖结束，支盘桩回弹增加量最大，为13.88 mm.普通桩和扩底桩桩顶回弹增加量分别为8.83和8.28 mm.

5.2改变基坑开挖宽度不同类型桩比较

基坑开挖宽度分为17.4 m和22.4 m，坑下桩基础为普通桩和扩底桩，基坑开挖深度为18 m，分7步开挖，第一步开挖3 m，其余6步每步均开挖2.5 m.

图7为基坑开挖宽度为17.4和22.4 m时普通桩和扩底桩的桩顶回弹曲线.

图7　不同基坑宽度桩顶回弹曲线

第2步开挖结束后，普通桩桩顶回弹量大于扩底桩桩顶回弹量.基坑开挖宽度为22.4 m的桩顶回弹量大于基坑开挖宽度为17.4 m的桩顶回弹量.例如：基坑开挖宽度为22.4 m时，普通桩桩顶回弹为12.15 mm，扩底桩桩顶回弹为9.43 mm；基坑开挖宽度为17.4 m时，普通桩桩顶回弹10.10 mm，扩底桩桩顶回弹为8.12 mm.

第3步到第7步开挖过程中，基坑开挖宽度为17.4 m的工程桩回弹量持续增大，基坑开挖宽度为22.4 m的工程桩回弹出现波动.第7步开挖结束后，基坑开挖宽17.4 m的桩顶回弹量大于基坑开挖宽22.4 m的桩顶回弹量.

基坑宽为17.4 m时，每步开挖结束后，普通桩与扩底桩桩顶回弹差随基坑开挖过程逐渐增大.例如：第2、4和6步开挖结束后，两者之间的回弹差分别为2.10、3.50和4.41 mm.基坑宽为22.4 m时，第1步到第5步开挖过程中，普通桩与扩底桩桩顶回弹量之间的差距随基坑开挖过程逐渐增大.第6步到第7步开挖过程中普通桩与扩底桩桩顶回弹量之间的回弹差随基坑开挖过程逐渐减小.例如：第6和7步开挖结束后，两者之间的回弹差分别为2.39和1.16 mm.由此可见，基坑宽度增大时，桩顶回弹量受桩型的影响减小.

5.3坑内土体注浆加固时不同类型桩比较

通过对基坑内土体注浆加固达到减小坑内土体回弹和挡土墙侧移的目的.注浆加固为地面下-16～-19 m，加固土体物理参数见表1[6].

计算结果表明基坑内土体注浆加固后基坑开挖过程中桩顶回弹与无注浆加固的桩顶回弹几乎相同，注浆加固对减小桩的回弹作用效果不明显.

注浆加固的墙身最大侧移小于无注浆加固的墙身最大侧移，且两者之间的差距随着开挖深度增加.例如：第7步开挖结束后，注浆加固的墙身最大侧移为30.63 mm，无注浆加固墙身最大侧移为24.61 mm，两者差距为6.01 mm.随着基坑开挖深度增加注浆加固对于限制墙身侧移效果越来越明显.

5.4分区开挖情况下不同类型桩比较

采用两种分区开挖方案，见图8.图中①- ⑦或⑧为对应7或8步开挖过程要挖掉的土体，基坑深18 m，坑下桩基础为普通桩和扩底桩.采用不同分区开挖桩顶最终回弹量几乎相同，分区开挖对于减小桩顶回弹的作用不明显.

分区开挖方案二挡土墙墙身侧移最大，分区开挖方案一次之，常规开挖最小.例如：在地下面14.5 m处，分区开挖方案一和二挡土墙侧移量分别为35.63和39.06 mm，常规开挖挡土墙侧移量为29.76 mm.

(a)分区开挖方案一 (b)分区开挖方案二

图8分区开挖方案

5.5上部结构空间刚度对挡土墙侧移的影响

上部楼层共7层，每层高3 m，楼板厚度0.85 m，基坑每完成一步开挖，上面生成一层楼板.

随着基坑开挖的进行，由于P-Δ效应，考虑上部结构挡土墙侧移逐渐大于没有考虑上部结构挡土墙侧移.例如，开挖结束后，地下面18 m处，考虑上部结构挡土墙侧移为38.26 mm，没有考虑上部结构挡土墙侧移为26.23 mm.

5.6支盘大小对支盘桩的影响

采用支盘直径分别为1.8 m和2.16 m的支盘桩进行模拟.大支盘直径为小支盘直径的1.2倍，相邻两支盘间距相同，见图5.

基坑开挖过程中，支盘较大的支盘桩桩顶回弹与支盘较小的支盘桩桩顶回弹相近，可见将支盘增大1.2倍对于限制桩顶回弹效果不明显.

6　结论

本文利用模型试验和有限元模拟方法对基坑开挖过程中坑底桩基础工作性状的影响进行了研究，得到下结论：

(1)由于重力二阶效应，逆作法开挖方式下桩身弯矩大于顺作法开挖方式的桩身弯矩;

(2)在基坑开挖工程中扩底桩有很好的限制桩顶回弹的作用：通过对坑下土体进行注浆加固可以有效限制墙身侧移，但是注浆加固对限制桩顶回弹的作用不明显；改变分区开挖方式不能改变桩顶回弹量.分区开挖要同时安置支护结构，这样才能发挥限制挡土墙侧移的作用；虽然上部结构可以增加结构的空间刚度，但在基坑开挖过程中由于重力二阶效应会增加挡土墙的侧移；将支盘直径增大1.2倍，减小桩顶回弹的作用不明显.

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Effect of Pit Excavation on Behavior of Pile Foundation Buried in the Pit

WANG Li1,2,YANG Wenbin2,ZHENG Gang1

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China; 2.School of Civil and Safety Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)

Behavior of piles under basal during bottom-up excavation is discussed in detail herein by means of model experiments and finite element analysis. Results from model experiments show that bending moments along pile in bottom-up method are greater than those in top-down method. Results from finite element analyses of single pile show that uplift at the top of pile with enlarged toe is comparatively small during excavation.When soil in the pit is reinforced through jet grouting, lateral displacement of retaining wall decreases apparently, but its effect on uplift at pile top is small. When jump layered excavation is adopted to reduce deflection of retaining wall, the struts must be installed promptly. Although structures above the ground increase the stiffness of the whole structure (the basement and the top structures), it increases the lateral deformation of retaining wall as well because of P-Δ effect. For squeezed branch pile, there is no evident change in the uplift at pile top when the diameter of squeezed branch is increased by 1.2 times.

model tests；finite element method；top-down excavation；pile foundation; retaining wall

1673- 9590(2016)05- 0093- 06

2016- 06- 12

国家自然科学基金资助项目(51208071)

王丽(1974-)，女，副教授，博士，主要从事岩土工程教学与科研工作

E-mail:jiaoda_tina@163.com.

A